基于PLC和触摸屏技术的船舶伙食冷库控制系统设计

2014-12-18张均东封志强

中国修船 2014年4期

张峰，张均东，封志强

(大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 116026)

各类运输船舶尤其是远洋船舶，为了满足船员的生活需要，必须随船储存蔬菜、水果、鲜蛋等的低温保鲜，以及肉、鱼、禽类等食品的冻结、冷藏，以防食品变质［1］。某教学实习船是1艘远洋实习船，船上的船员和实习生通常200多人，该实习船的伙食冷库和制冷装置容量较大，对制冷控制系统的可靠性要求也较高。可编程控制器 (PLC)具有体积小、功能强大、抗干扰能力强、可靠性高、灵活通用与维修方便等优点，目前已在船舶自动化机舱、工业自动控制等诸多领域得到了广泛的应用。本文采用西门子PLC作为控制核心，通过西门子触摸屏实现人机交互功能，实践证明此设计可满足伙食冷库的控制要求。

1 伙食冷库控制系统

1.1 伙食冷库系统构成

此教学实习船伙食冷库制冷系统拥有5个冷库，分别为肉库 (77 m3，-22℃)、鱼库 (39.3 m3，-22℃)、蔬菜库 (102.6 m3，+2℃)、干货库 (47 m3，±15℃)、粮食库 (41.8 m3，+12℃)。肉库、鱼库和蔬菜库配备融霜装置，肉库、鱼库还配备排水管的加热电缆。肉库、鱼库、菜库每天自动融霜3次。有2台制冷压缩机，型号为4 H.2Y，制冷量为15.6 kW，1台为备用，2台压缩机可同时运行也可单独运行，其中1台故障停机时可自动启动另1台压缩机，每台压缩机依靠吸气压力可在100% ～50%2档进行容量控制。在压缩机曲轴箱内，设有电加热器，在压缩机停机时投入工作，防止冷剂融入油中过多而在启动压缩机时发生奔油现象，当压缩机投入工作时，电加热器停止工作。压缩机还配有高低压继电器、油压差继电器等。该伙食冷库制冷系统还有满足系统正常运行的其他必要设备，如温度继电器、供液电磁阀、冷却水量调节阀等。

伙食冷库的控制系统需将各冷库的库温控制在设定的温度范围中，对低温库的蒸发器及时融霜防止结霜层太厚降低冷却效率;依据各冷库的冷却情况可自动启停压缩机，1台压缩机出现故障或运行时间达到设定时长时可自动切换另1台压缩机启动，并实时监测压缩机的运行参数若出现异常情况进行相应的处理。

1.2 控制系统硬件设计

如图1所示，伙食冷库制冷控制系统采用2层网络结构，管理层和现场控制层［2］。管理层采用西门子TP 177B 6″color触摸屏，完成实际库温显示、设定库温控制范围、融霜时间设定、手动融霜、监测报警等功能。现场控制层采用西门子S7-300系列PLC，实现现场数据采集和逻辑控制。管理层和现场控制层通过串口总线连接，PLC将数据经RS485串口传送到触摸屏进行显示和存储处理，操作人员可通过触摸屏对伙食冷库系统进行控制，控制指令通过串口电缆发送给PLC，由PLC执行相应的控制指令。在满足自动控制要求的同时尽量节约成本，完成了PLC硬件模块的选型。

将外部电路、仪表和开关集成在1个控制箱中，控制箱内装有控制电源的变压器、每个压缩机马达的启动器及运行计时器、每个压缩机高压和油压遥控报警触点、压缩机转换开关、电流表、电融霜控制器、手动融霜开关、断电后压缩机延时启动器、报警显示灯和公共报警输出、空间加热器运行指示灯等。

图1 伙食冷库控制系统结构图

1.3 PLC软件设计

系统所采用的编程语言是梯形图和语句表，采用结构化编程。OB1负责各功能块的调用，所有功能在功能块中实现，添加了优先级故障组织块(OB85)、通讯故障组织块 (OB87)和I/O访问故障组织块 (OB122)［3］。程序设计主要包括数据输入输出、压缩机与冷库的控制、监测报警3部分。

1)数据输入输出。将PLC采集的信号及需要输出的信号存储在一个共同的数据块中，方便对数据进行统一管理和程序调试。

2)压缩机与冷库的控制。主要负责实现压缩机的启停与卸载、冷库的温度及融霜控制。

3)监测报警。实时地、自动地监测系统中各项运行参数，监测压缩机运行情况、冷库温度是否正常，若出现异常情况进行相应的处置并在显控屏上发出报警信号。

2 控制功能的实现

2.1 压缩机自动启停卸载控制

制冷压缩机的启停和卸载由制冷压缩机低压继电器、吸气压力传感器、卸载电磁阀和PLC共同控制。在制冷过程中，制冷剂在蒸发器中气化吸收热量使冷库的温度降低，压缩机的吸气压力会上升，当吸气压力到达低压继电器设定压力范围的上限值时，低压继电器的触点闭合，输入开关量信号至PLC，PLC经过逻辑运算在其它启动条件满足时启动压缩机，此时卸载电磁阀通电，压缩机处于卸载运行状态。压缩机吸气端的压力传感器将吸气压力信号输入至PLC，若吸气压力继续升高，达到卸载压力的预设值时PLC控制卸载电磁阀断电，压缩机进入全载运行状态。压缩机的停止由低压继电器和PLC共同控制，当各库库温先后到达设定温度范围下限值使温度继电器陆续断电后，供液电磁阀关闭，制冷剂停止进入蒸发器，随着压缩机运行吸气压力低于低压继电器压力范围下限值时，低压继电器的触点断开，PLC检测到低压继电器的断开状态，控制压缩机停机［4］。

2.2 冷库温度自动控制

通过温度继电器、供液电磁阀和PLC共同控制使各库的温度稳定在要求的范围内，冷库的温度范围可以在显控屏上进行设定。当冷库温度到达设定温度范围的上限时，温度继电器闭合，PLC控制开启供液电磁阀，冷剂进入该库的蒸发器使库温下降;当温度下降到库温设定范围的下限值时温度继电器触点断开，PLC控制供液电磁阀断开，冷剂停止进入冷库蒸发器。

2.3 融霜自动控制

当蒸发器的管外壁温度低于0℃时，空气中的水蒸气会在蒸发器表面结霜，由于霜层的热导率低，蒸发器结霜后会减弱其热传导率，导致蒸发压力和蒸发温度下降，装置的制冷量减小，经济性下降。冷库冷却采用的是顶式安装的冷风机，冷风机设计的换热面积有大约20% 的余量，如果霜层过厚，会堵塞肋片间通道，使通风量减少，传热变差，导致制冷量不足。所以当蒸发器上的霜层达到一定厚度时应进行融霜。粮库和干货库需要融霜时，可以通过停止供入冷剂，使库内温度逐渐升高，当库温高于0℃时即可自然融霜。肉库、鱼库和菜库配备融霜装置，肉库、鱼库还配有排水管的加热电缆。肉库、鱼库和菜库的融霜每天3次，融霜时间和融霜时长可在触摸屏上进行设定。融霜时PLC控制供液电磁阀关闭，冷剂停止进入冷库，冷风机停止，排水管加热器通电。在融霜过程中压缩机的吸气压力到达低压继电器的下限值时，融霜停止，可防止霜层提前融完以致蒸发器管内的冷剂压力和温度过高［5］。

2.4 冷却水量自动控制

制冷装置的冷却水温过低时，若不及时关小冷却水阀调低流量，冷凝压力就会太低，使制冷剂的冷凝温度降低，导致蒸发器供液不足，蒸发压力过低，制冷量减小;而关小冷却水阀后，若水温升高未能及时将阀开大，冷凝压力又会过高导致压缩机停机。该教学实习船是1艘远洋船舶，由于航区的变化快，水温随之变化，所以需要对冷却水量进行自动调节。在冷却水管路上设有温度传感器和比例控制阀，温度传感器将水温信号输入PLC，PLC经过计算后输出模拟量信号控制比例控制阀的开度，从而实现冷却水量的自动调节。

2.5 压缩机滑油压差低保护

油压差继电器检测滑油泵的排油压力与吸气压力之差，压缩机启动后当油压差低于设定值时，常开触点闭合使压缩机停机。当压缩机启动之初滑油压力可能没有建立，油压差继电器的动作需要有一定的延时，延时是通过油压差继电器中的双金属片、电加热器和随双金属片弯曲变形而动作的延时开关实现的，当油压过低时电加热器通电工作，经过一定的延时双金属片弯曲变形导致延时开关闭合，PLC检测到此信号后停止压缩机工作，同时发出报警信号。需要进行复位后方可再次启动压缩机。

2.6 压缩机排气压力高保护

高压继电器检测压缩机的排气压力，当排气压力高于设定值时，高压继电器动作，其常闭触点断开，此开关量信号输入至PLC，PLC控制压缩机停机，并发出报警信号。

2.7 压缩机冷却水压力低保护

压缩机需要冷却水进行冷却，当冷却水压力过低时使压缩机不能良好冷却，此时应有停机保护，在冷却水管路上设有压力传感器将压力信号输入至PLC，当压力过低时PLC会控制压缩机停机，并发出报警信号。

3 系统自动控制流程

图2所示为本设计的伙食冷库系统控制过程流程图。当伙食冷库控制系统投入工作时，PLC首先进行程序初始化，鱼肉库门加热器工作以防门结冰不能开启，冷库融霜间隔计时器开始计时，冷库温度继电器检测冷库温度，压缩机低压继电器检测吸口压力。当冷库温度达到设定温度范围的上限值时，PLC控制供液电磁阀开启，冷剂进入蒸发器吸热，使冷库温度下降，当库温达到设定温度的下限值时，PLC控制供液电磁阀关闭，冷剂停止进入蒸发器。当融霜间隔时间达到设定时长时，融霜加热器、排水管加热器工作，融霜时间到达设定时长时停止融霜。压缩机低压继电器检测吸口压力到达设定范围的上限值时，曲轴箱加热器停止工作，自动启动冷却水泵，压缩机半载启动，经过短时间的延时，吸口压力若超过卸载压力，PLC控制卸载电磁阀断电，压缩机进入全载运行状态。压缩机运行过程中若滑油压差过低、排气压力过高或者冷却水压力过低均会使压缩机停机，并发出报警。当吸口压力到达低压继电器设定范围的下限值时，PLC控制压缩机停机，曲轴箱加热器开始工作。在融霜过程中若冷库温度到达冷库设定温度范围的上限值，停止融霜、供液电磁阀开启、压缩机启动，开始对冷库进行冷却。

4 人机交互功能的设计

图2 伙食冷库控制系统PLC控制流程图

本设计的人机界面采用西门子的触摸屏，应用WinCC flexible组态软件进行设计，通过RS232接口将画面程序下载到触摸屏内使用［6］。触摸屏可以实时读取PLC内部的数据，动态显示系统状态数据，实现PLC的动态化和可视化。本系统设计了主画面、各个冷库的控制画面、压缩机控制画面、报警画面和参数修改画面。触摸屏软件的系统环境中共设置了2个用户安全等级，其中参数修改画面的安全等级为一级，只对某些授权密码的安全管理人员开放，这样可以防止一般操作人员对关键参数进行随意设置，有效地保证了系统的可靠运行。除参数设置画面外，其他用户画面安全等级均设为零级，不需要密码登录即可进入。

各冷库画面显示各冷库的温度、设备运行状态，可以手动控制融霜。压缩机画面显示滑油压差、吸气口压力、排气口压力、冷却水温度等参数信息，可对压缩机进行手动操作。报警画面对报警信息进行显示，可以查看当前故障信息和历史故障信息。输入授权密码即可进入参数修改画面，可以对冷库温度范围、压缩机启停压力范围、冷库融霜时间间隔及融霜时长等参数进行设定。